مبدل گشتاور ( تورک کانورتر یا توربین )

 

جهت استفاده از قدرت تولیدی موتور و تبدیل آن به حرکت ، می بایست آن را به سیستم انتقال قدرت منتقل کنیم. بسته به نوع جعبه دنده(مکانیکی_ اتوماتیک)سیستم  واسط بین موتور و گیربکس یا به عبارت بهتر نوع کلاچ  انتخاب می شود. در گیربکس های دستی از کلاچ های ا صطکاکی - صفحه ا ی ( دیسک و صفحه ) استفاده می شود.

در گیربکس های اتوماتیک از نوع دیگی از کلاچ که تحت تاثیر نیروی هیدرولیک کار می کند بنام مبدل های گشتاور (توربین) استفاده می شود. کلاچ واسط بین گیربکس و موتور بوده و وظیفه اصلی آن قطع و وصل نیرو از موتور به گیربکس و امکان توقف ماشین بدون خاموش شدن موتور می باشد. درخودروهای مجهز به جعبه دنده اتوماتیک، بعلت استفاده از سیال ( روغن ) هیچ نوع ارتباط مکانیکی مستقیم بین موتور و گیربکس در سیستم کلاچ وجود ندارد.

در نگاه اول ممکن است مبدل گشتاور کلاچی شلوغ و پرهزینه به نظر برسد ولی این مسئله در مقابل مزایای فراوان آن که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت چندان قابل توجه نمی باشد.

کلاچ هیدرولیکی:

همانگونه که بیان گردید یک گیربکس به تنهایی نمی تواند به صورت تمام اتوماتیک عمل کند، مگر این که شامل مکانیزمی باشد که بتواند به طور اتوماتیک ارتباط موتور و گیربکس را قطع و وصل نماید.

وسایلی که این کار را انجام می دهند کوپلینگ های هیدرولیکی و مبدل های گشتاور هستند. قبل از اختراع مبدل های گشتاور ازکلاچ های هیدرولیکی در خودروها استفاده می شد ولی به علت وجود گشتاور معکوس در دورهای پایین که منجر به کاهش دور موتور و درنهایت خاموشی می شد با اضافه کردن قطعه ای به نام استاتور و بهینه کردن فرم پره ها ، کلاچی به نام مبدل گشتاور بکار گرفته شد. اصول عملکرد این کلاچ ها بسیار ساده است و با این مثال ساده می توان آن را توضیح داد: هرگاه دو دستگاه پنکه برقی را روبه روی همدیگر قرار داده و یکی را به برق وصل کرده و با جریان برق به حرکت درآوریم پس از مدتی پروانه پنکه دیگر هم که به برق وصل نیست ، شروع به حرکت کرده و بعد از گذشت مدتی سرعت دورانی آن تقریبا به پنکه دیگر می رسد. در این جا انتقال دور و گشتاور به وسیله هوا بعنوان سیال عامل صورت می گیرد. در تمامی انواع کلاچ های هیدرولیکی هم از این اصل ساده استفاده شده است. در انواع کلاچ هیدرولیکی گشتاور موتور با کمی افت به گیربکس منتقل می شود اما مبدل گشتاور (توربین یا تورک کانورتور) قادر به افزایش گشتاور موتور و انتقال آن به گیربکس می باشد.

کوپلینگ هیدرولیکی:

کوپلینگ هیدرولیکی شامل یک پمپ (ایمپلر) و یک توربین با پره های داخلی است که روبه روی هم قرار گرفته اند. و دارای پره هایی با زاویه متقابل نسبت به هم می باشند . پمپ به وسیله یک صفحه به فلایویل متصل و توربین نیز به شافت ورودی گیربکس متصل است. پمپ عضو محرک و توربین عضو متحرک است و هر دو در یک محفظه آب بندی شده قرار دارند. روغن به وسیله پمپ جارو ( پمپی که روغن را بین گیربکس و کوپلینگ جابجا می کند.)  از داخل گیربکس به داخل محفظه کوپلینگ ارسال می شود. زمانی که ایمپلر به وسیله موتور می چرخد پره هایش روغن را گرفته و به سوی توربین پرتاب می کنند. سیال در داخل کوپلینگ دو مسیر را طی می کند : جریان گردابی و جریان دورانی.

جریان دورانی سیال ، مسیر دایره ای است که در نتیجه چرخش ایمپلر ایجاد می شود. به عبارت دیگر سیال حول دایره ای که محور آن میل لنگ و محور ورودی گیربکس است جریان می یابد. از طرفی هنگامی که سیال در مسیر دایره ای حرکت می کند، نیروی گریز از مرکز آن را به سوی کناره های ایمپلر پرتاب می کند. به خاطر انحنای ایمپلر هنگامی که سیال به کناره های خروجی ایمپلر می رسد به دور خود می چرخد و به سوی توربین جاری می شود. سپس سیال در یک مسیر چرخشی ثانویه که با مسیر جریان دورانی اولیه زاویه 90 در جه می سازد پرتاب می شود.

جریان روغن در این مسیر را جریان گردابی می نامند. سیال در کوپلینگ هیدرولیکی به طور همزمان هر دو مسیر دورانی و گردابی را می پیماید. جریان دورانی که به وسیله ایمپلر ایجاد می شود گشتاور چرخشی موتور را انتقال می دهد. گشتاور بدون جریان گردابی که سیال را از ایمپلر تا توربین حرکت می دهد نمی تواند به گیربکس منتقل شود. نیروی چرخشی پره های ایمپلر به صورت ترکیبی از جریان های گردابی و چرخشی سیال بر روی پره های توربین اعمال می شود. سیالی که ایمپلر در حال چرخش را ترک کرده و به سوی توربین جاری می شود هنگام خروج تنها دارای حرکت گردابی و یا دورانی نیست بلکه دارای ترکیبی از هر دو حرکت است. مسیر جریان های ترکیب شده یک نیروی برآیند تولید می کند که از ایمپلر تحت زاویه خاصی به سوی توربین خارج می شود. هنگامی که نیروی سیال پرتاب شده به سوی توربین به قدر کافی باشد، توربین می چرخد و شافت ورودی گیربکس را به حرکت در می آورد.

همانطور که در ابتدای بحث عنوان گردید بعلت نیروی عکس العمل ، روغن ارسالی به توربین پس از چرخاندن توربین دوباره با نیروی کمی به سوی پمپ برمی گردد که این برگشت روغن سبب ایجاد مقاومت معکوس و درنتیجه اندکی افت در بازده کوپلینگ و طولانی شدن زمان شتاب گیریی اولیه ماشین خواهد شد.

 

مبدل گشتاور:

مبدل گشتاور نوعی کوپلینگ هیدرولیکی ارتقاء یافته است که اجازه می دهد موتور به مقدار کمی آزادانه و جدای از جعبه دنده بچرخد. اگر موتور به طور آهسته در حال گردش باشد ، مانند زمانی که خودرو درپشت چراغ قرمز توقف کرده، مقدار گشتاور منتقل شده داخل مبدل گشتاور خیلی کم است بنابراین برای نگه داشتن خودرو فقط یک فشار کم روی پدال ترمز لازم است. مبدل گشتاور شامل سه عضو است که در داخل محفظه ای بسته قرار دارد و به وسیله پمپ گیربکس ( پمپ جارو ) پر از روغن می شود. این سه عضو عبارتند از:

Impeller  ایمپلر یا پمپ

Turbine  توربین

Stator استاتور

تعداد پره های پمپ و توربین برابر نیستند و برای جلوگیری از ایجاد ضربه و تشدید درچرخش آن ها معمولا دو تا سه پره با هم اختلاف دارند.

ممکن است تورک کانورتور تنها یک استاتور ثابت داشته باشد که در این صورت به آن مبدل تک فاز می گویند اگر دارای یک استاتور با قابلیت چرخش هم جهت با توربین و پمپ باشد به آن مبدل دو فاز و در صورت تعبیه دو استاتور با قابلیت حرکت هم جهت با پمپ و توربین مبدل سه فاز گفته می شود. بطور کلی وجود استاتور سبب افزایش بازدهی گشتاور تورکانورتور بین 30 تا 50 درصد نسبت به کوپلینگ های هیدرولیک معمولی می گردد.

  

 انرژی پرتابه های روغن ارسالی از پمپ به وسیله توربین جذب شده و تبدیل به حرکت دورانی می شود. هزار خار وسط توربین جایی است که به آن شفت ورودی گیربکس متصل می شود. برای تغییر مسیر صحیح یک شی متحرک، شما باید نیرویی به آن اعمال کنید. مهم نیست که شی یک خودرو است و یا یک قطره سیال، هر نیرویی که باعث تغییر مسیر شی شود،عکس العملی دارد که باعث تغییر مسیر منشا نیرو می شود بنابراین توربین باعث تغییر مسیر سیال می شود و سیال باعث چرخش توربین می شود.

انرژی روغنی که به وسیله پمپ ورودی از گیربکس ارسال می شود و جریان سرگردان بین ایمپلر و توربین، به وسیله پره های ایمپلر جذب شده و از طریق جریان گردابی ودورانی مشابه کوپلینگ هیدرولیکی به طرف توربین پرتاپ می شوند.

بزرگ ترین اختلاف بین جریان روغن درون مبدل گشتاور در مقایسه با کوپلینگ این است که در مبدل هنگام کم بودن سرعت افزایش گشتاور ایجاد می شود. افزایش گشتاور هنگامی که روغن پره های توربین را ترک و به قسمت مقعر پره های استاتور برخورد می کند ایجاد می شود. این پره ها مسیر روغن برگشتی از توربین را اصلاح و همچنین پرتابه های روغن  ایمپلر را به تیغه بعدی توربین هدایت می کنند. نیروی جریان روغن از استاتور، با شتاب دادن به جریان روغن در حال ارسال از ایمپلر مقدار گشتاور منتقل شده از ایمپلر به توربین را افزایش می دهد. این حالت مرحله افزایش گشتاور نامیده می شود. مقطع پمپ به بدنه مبدل گشتاور متصل بود و بوسیله موتور چرخیده و روغن را به داخل توربین پمپ می کند.

روغن برگشتی از توربین ، در مسیر عکس نسبت به زمانی ورود حرکت می کند. اگر این جریان رها شود به پمپ ضربه زده و سبب اتلاف نیرو و ایجاد گشتاور معکوس خواهد شد. کنترل این جریان بوسیله عضو سوم یعنی استاتور انجام می پذیرد، این عضو در مرکز مبدل قرار داشته و سیال برگشتی از توربین را در دسترس مجدد پمپ قرار داده و سبب بهبود راندمان مبدل گشتاور می شود.

 در وسط استاتور یک کلاچ یک طرفه وجود دارد که به هزار خار استاتور متصل است. وظیفه آن هدایت دوباره سیال خروجی از توربین است قبل از این که به پمپ ضربه بزند. این امر به طور چشمگیری راندمان مبدل گشتاور را افزایش می دهد. کلاچ یک طرفه -داخل استاتور- استاتور را به یک شافت ثابت در گیربکس ارتباط می دهد.

به خاطر این طرح هنگامی که سیال به پره های استاتور برخورد می کند استاتور نمی تواند با نیروی سیال برای تغییر مسیر ، بچرخد و فقط می تواند در جهت مخالف بچرخد. در سرعت 40 مایل بر ساعت یا 64 کیلومتر بر ساعت در ماشین آلات سبک ، پمپ و توربین تقریبا با سرعت یکسان می چرخند(پمپ همیشه کمی سریع تر گردش می کند. )در این نقطه، سیال از توربین برگشته، وارد پمپ متحرک در مسیر یکسان می شود،درنتیجه نیازی به استاتور نیست.

افزایش گشتاور زمانی صورت می گیرد که جریان گردابی یک چرخش کامل از ایمپلر به توربین و دوباره از طریق استاتور به ایمپلر انجام دهد. این حالت بدین معنا است که تورک کنورتور، گشتاور موتور را به تناسب نسبت سرعت بین ایمپلر وتوربین افزایش می دهد. در نسبت سرعت های پایین هنگامی که ایمپلر با سرعت زیاد اما توربین به آرامی می چرخد جریان گردابی شدید است لذا افزایش گشتاور نیز زیاد خواهد بود. به محض این که توربین سریع تر بچرخد و به سرعت ایمپلر برسد جریان دورانی افزایش می یابد که در این صورت ، هم جریان گردابی و هم افزایش گشتاور کاهش می یابد. هنگامی که نسبت سرعت به 90 درصد برسد افزایش گشتاور کمترین مقدار است.در این هنگام، جریان روغن در مبدل تقریبا دورانی می شود و زاویه خروج جریان روغن از توربین به استاتور به خط مستقیم نزدیک تر می شود. در نتیجه جریان روغنی که به قسمت محدب-پشت پره استاتور-برخورد می کند بیشتر از قسمت مقعر است. هنگامی که سرعت جریان روغن افزایش یابد به طوری که بتواند استاتور رادرجهت عقربه های ساعت بگرداند، ایمپلر، توربین و استاتور در یک جهت و تقریبا با یک سرعت می چرخند. این مرحله کوپلینگ مبدل نامیده می شود.

از مزایای مهم استفاده از مبدل های گشتاور نسبت به کلاچ های معمولی این است که انتقال گشتاور درخودروهای نرمی صورت می گیرد و نیاز به تنظیم خاصی ندارد. همچنین این خودروها می توانند با دنده درگیر نیز متوقف شده و یا حرکت کنند، بنابراین در این زمینه به مهارت خاصی از جانب راننده نیاز ندارد اما با این حال در دورهای بسیار پایین و در لغزش صد درصد هم به علت وجود لزجت ، هنوز مقداری گشتاور روی محور خروجی وجود دارد. شاید از بزرگ ترین معایب این مبدل ها این است که در دنده های درگیر نیز مقداری لغزش خواهیم داشت و همانند کلاچ های اصطکاکی در هنگام درگیری مداوم راندمان صد درصد را نخواهیم داشت. راندمان یک کلاچ هیدرولیک را این گونه می توان محاسبه کرد :

× 100توان محور ورودی کلاچ / توان محور خروجی کلاچ = راندمان کلاچ

هیدرولیک در مبدل های گشتاور جدید برای جبران این نقیصه از مبدل های اصطکاکی استفاده می شود. در این نوع مبدل ها از مزیای کلی مبدل های گشتاور استفاده شده با این تفاوت که جهت رفع لغزش درهنگام درگیری دائمی، سیستم کلاچ اصطکاکی ( Lock up)که در کنار مبدل گشتاور قرار دارد، مورد استفاده قرار می گیرد، در واقع در این حالت زمانی که دور توربین به 90 درصد دور پمپ می رسد ،این کلاچ عمل کرده و درنتیجه پمپ ، توربین و استاتور به یک جسم صلب ( همانند کلاچ صفحه ای معمولی ) تبدیل شده و با یک دور شروع به چرخش می کنند،بنابراین دور موتور بدون افت مستقیما به گیربکس وارد می شود.

از دیگر مزایای مبدل های گشتاور نسبت به کلاچ های اصطکاکی این است که تقریبا تمامی نوسانات سیستم انتقال قدرت یا موتور در این نوع سیستم مستهلک می شود و عملا به مانند یک فلایویل هیدرولیکی عمل می کند. همچنین به علت عدم وجود سایش بر روی قطعات متحرک، نیازبه تعمیر و نگهداری کمتری دارد.

مزایا:

1-      توقف خودرو در دنده بدون خاموش شدن

2-      افزایش دو تا سه برابری گشتاور موتور قبل از ورود به گیربکس

3-      جذب ارتعاشات موتور

4-      درگیری آرام درهنگام تعویض دنده

5-      افزایش محدوده الاستیسیته موتور (جبران کمبود گشتاور در دوره های پایین موتور)

6-      افزایش طول عمر موتور

7-      نیاز به مهارت کمتر در رانندگی

معایب:

1-      نیاز به دور آرام بالاتر از گیربکس های مکانیکی

2-      افزایش دمای متوسط موتور

3-      اتلاف بخشی از قدرت موتور

4-      تاخیر در شتاب گیری